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Chimie des solutions Éditions Études Vivantes. Loxydoréduction et les piles Diaporama réalisé par Christian Louis, Ph.D.

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1 Chimie des solutions Éditions Études Vivantes

2 Loxydoréduction et les piles Diaporama réalisé par Christian Louis, Ph.D.

3 Réactions doxydoréduction Les réactions doxydoréduction sont des réactions chimiques où il y a transfert délectrons. Au cours de la réaction, des électrons sont donc transférés des atomes de zinc vers des ions cuivre. Dans certains cas, le transfert électronique est évident : Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu. On voit que latome de zinc a perdu des électrons (il a été oxydé) : Zn Zn é. On voit que lion Cu 2+ a gagné des électrons (il a été réduit) : Cu é Cu. Cu 2+ Zn Zn 2+ Cu Zn 2+ Cu

4 Oxydoréduction en phase aqueuse On peut observer expérimentalement la réaction doxydoréduction entre le zinc et le cuivre en plongeant une plaque de zinc dans une solution aqueuse de sulfate de cuivre. La réaction entre les atomes Zn et les ions Cu 2+ se produit donc à la surface de la plaque, à lendroit où atomes et ions peuvent se rencontrer pour échanger des électrons : Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s). On voit apparaître un dépôt rougeâtre de cuivre sur la plaque de zinc et la coloration bleue des ions cuivre diminue autour de la plaque. Zn 2+ Zn Zn 2+ SO 4 2-

5 Oxydation et réduction séparées Il est possible de réaliser à distance le transfert délectrons entre le réducteur Zn et loxydant Cu 2+. Loxydation et la réduction à distance se feront si on place, entre les deux réactifs, un conducteur délectrons (un fil métallique). Zn Zn éCu é Cu Cu 2+ Zn Cu Zn 2+ Dans lexemple choisi, loxydation de Zn crée un surplus de charges positives (Zn 2+ ) dans la zone de réaction. Cu 2+ SO 4 2- Cu 2+ SO 4 2- Cu 2+ SO 4 2- Cu 2+ SO 4 2- Zn 2+ Le champ électrique créé bloque la circulation des électrons. Les réactions doxydation et de réduction ne pourront continuer que sil existe un dispositif pour évacuer les ions des zones de réaction. La réduction de Cu 2+ crée un déficit de charges positives dans la zone de réaction.

6 Piles On nomme « pile » le montage expérimental nécessaire pour réaliser séparément des réactions doxydation et de réduction. La pile comprend : - une zone où la réaction doxydation peut se produire ; Zn Zn é : Cu é Cu - une zone où la réaction de réduction peut se produire ; - un conducteur qui permet aux électrons de circuler de la zone doxydation vers la zone de réduction ; é - un pont électrolytique permettant aux ions de circuler entre les zones de réduction et doxydation. + -

7 Électrodes On nomme « électrode » la zone où il peut se produire une réaction électrochimique doxydation ou de réduction. On nomme « anode » lélectrode où il se produit une oxydation et « cathode » lélectrode où il se produit une réduction. Une élec- trode qui est lanode dans une pile donnée peut être la cathode dans une autre pile. Une électrode comprend toujours une surface métallique conductrice délectrons et un fluide conducteur dions. é Zn 2+ Électrode de zinc : Zn (s) Zn 2+ (aq) +2 é Zn (s) / Zn 2+ (aq) (0,1 mol/L) On peut représenter une électrode en utilisant le symbole « / » pour indiquer linterface entre deux phases. Anode de zinc : Zn (s) Zn 2+ (aq) +2 é Cathode de zinc : Zn 2+ (aq) +2 é Zn (s)

8 Différents types délectrodes Les électrodes les plus simples comprennent un métal plongeant dans une solution liquide (généralement aqueuse) dun de ses ions. Dans certaines électrodes, les substances oxydées et réduites sont toutes deux en solution et on utilise un métal noble pour fournir la surface conductrice délectrons. Dans certaines électrodes, la substance oxydée ou réduite est gazeuse et on la fait barboter au-dessus dune surface métallique poreuse. Cu (s) / Cu 2+ (aq) Cu (s) Cu 2+ (aq) +2 é Cu Cu 2+ SO 4 2- Cu 2+ SO 4 2- Pt (s) / Fe 2+ (aq), Fe 3+ (aq) Fe 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + é Pt Fe 2+ SO 4 2- Fe 2+ Fe 3+ SO 4 2- Platine platiné Pt (s), H 2(g) / H + (aq) H 2(g) 2 H + (aq) + 2 é H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ SO 4 2- H+H+ H2H2

9 Différents types délectrodes Dans certaines électrodes, la substance oxydée ou réduite est peu soluble et on la retrouve sous forme solide, en équilibre avec une solution saturée. Ce sont des électrodes du deuxième type. Dans certaines électrodes, les substances oxydées et réduites sont toutes solides. Ce type délectrode est souvent utilisé dans les piles sèches. Cd (s), Cd(OH) 2(s) / OH - (aq) Cd (s) + 2OH - (aq) Cd(OH) 2(s) + 2 é Cd Pâte de Cd(OH) 2 et de NaOH Ag (s), AgCl (s) / Cl - (aq) Ag (s) + Cl - (aq) AgCl (s) +é Ag Na + Cl - Na + Cl - AgCl solide

10 Forces électromotrices de piles Un instrument nommé « voltmètre » permet de mesurer lénergie électrique quune pile peut fournir. On nomme « force électromotrice » (abréviation : f.é.m.) le nombre de volts mesuré ( E) de la pile. Zn Zn é : Cu é Cu é + - V La pile convertit lénergie chimique dune réaction doxydoréduction en énergie électrique. E dépend de la constante déquilibre de la réaction. La f.é.m. dune pile dépend de la nature des deux électrodes et de la nature du dispositif permettant aux ions de circuler (jonction).

11 Potentiels délectrodes On peut décomposer la f.é.m. dune pile en trois composantes : le potentiel électrique de la cathode, le potentiel électrique de lanode et le potentiel de jonction : E = E cathode – E anode + E jonction. Le potentiel de jonction est souvent nul et on peut attribuer une valeur au potentiel dune électrode donnée, si on choisit une électrode de référence à laquelle on attribue un potentiel de zéro. Lélectrode choisie est lélectrode standard à hydrogène : Pt (s), H 2(g) (1 atm)/ H + (aq) (1 mol/L). Comme lélectrode à hydrogène est difficile à manipuler, on mesure des potentiels délectrodes avec des références secondaires qui ont des potentiels stables et reproductibles. Conducteur électrique Trou de remplissage Pâte de Hg, Hg 2 Cl 2 et KCl Petit trou Jonction poreuse Solution saturée de KCl Électrode de référence au calomel: E = 0,2444 V 2 Hg (l) + 2 Cl - (aq) Hg 2 Cl 2(s) + 2é

12 Potentiels standards délectrodes Les potentiels délectrodes (E) dépendent des concentrations des substances contenues dans lélectrode. Les potentiels délectrodes sont donc réper-toriés sous forme de potentiels standards (E o ). E o correspond à des concentrations de 1 mol/L et des pressions de 1 atm. Léchelle de potentiel obtenue permet de prévoir le comportement dune pile obtenue en branchant deux électrodes données. E o volts Réaction délectrode 3,0 2,0 1,0 0 -1,0 -2,0 -3,0 F 2(g) +2é 2F - (aq) MnO 4 - (aq) +8H + (aq) +5é Mn 2+ (aq) +4H 2 O (aq) 2H + (aq) +2é H 2(g) Al 3+ (aq) +3é Al (s) Li + (aq) +é Li (s) Quand on branche deux électrodes, celle qui a le potentiel le plus élevé sera la cathode (+). Cathode (+) Cu 2+ (aq) +2é Cu (s) 0,34 volt Lélectrode qui a le potentiel le plus bas sera lanode (-). Anode (-) Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2é -0,76 volt Réaction de la pile : Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s). f.é.m. de la pile 0,34 – (-0,76) 1,10 volt.

13 Décharge dune pile Lorsquune pile est construite, lénergie dune réaction chimique doxydoréduction est convertie en énergie électrique. Les réactifs sont progressivement consommés et la f.é.m. de la pile diminue. Quand la f.é.m. devient nulle, on dit que la pile est déchargée. Zn Zn é : Cu é Cu é + - Une pile est donc un fournisseur dénergie électrique pendant un temps limité. Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) + -

14 Recharge dune pile Si on introduit un autre fournisseur dénergie électrique dans le circuit dune pile, il est parfois possible dinverser la réaction de cette pile. Les réactifs de la pile sont progressivement récupérés et la pile est rechargée. Cu (s) + Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) + Zn (s) Zn 2+ +2é ZnCu Cu 2+ +2é é - + Quand on recharge une pile, on convertit de lénergie électrique en énergie chimique. On nomme le montage expérimental « cellule électrolytique ».


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